Теплообмінні апарати

Прилади, що призначені для передачі теплоти від одного середовища (рідини або газу) до іншого мають назву теплообмінних апаратів або теплообмінників. Їх можна поділити на три групи.

Регенеративні – теплообмінники, у яких одна і таж сама поверхня періодично омивається то гарячим, то холодним середовищем. Головним конструктивним елементом є теплоакумулюючий прилад.

Рекуперативні – теплообмінники, у яких перенос тепла здійснюється через стінку або поверхню, що розділяє робочі тіла різної температури.

Змішувальні – теплообмінники, у яких перенос тепла здійснюється під час процесу безпосереднього перемішування нагрітого та холодного теплоносія, тобто теплообмін протікає одночасно з масообміном.

Існуючі теплообмінні апарати відрізняються друг від друга конструкціями, формами, розміром, призначенням, видом теплоносія та другими особливостями. Однак, головні положення їх теплового розрахунку залишаються загальними:

1. Визначення поверхонь нагріву F, яка забезпечує передачу заданої кількості тепла від гарячого теплоносія до холодного.

2. Визначення кількості тепла Q, яке може бути передано від гарячої рідини до холодної, при відомої поверхні нагріву F.

3. Визначення кінцевих показників обох середовищ, які беруть участь у теплообміні при відомих F і Q.

Зупинимось на розгляді основних положень теплового розрахунку стосовно рекуперативних теплообмінних апаратів. Найпростіші представляють собою труби, які вставлені одна у другу. По одній з них, наприклад, по внутрішній, тече середовище, яке гріє, по другій – яке нагріває.

Теплообмінники підрозділяються у залежності від схеми руху теплоносіїв. Основні з них: прямоток – рух теплоносіїв відбувається паралельно друг другу в одному напрямку (рис.8.3 ); протиток - рух теплоносіїв відбувається паралельно друг другу в протилежному напрямку; перехресний рух теплоносіїв.

Рис.8.3, а

Рис.8.3, б

Під час прямотоку (рис. 8.3, а) робоче тіло, що нагрівається, виходить з теплообмінника з температурою, меншою за грійну. У разі протитоку в залежності від кількості робочих тіл, яке гріє і яке нагрівається, на виході можна отримати температуру останнього, яка перевищує температуру виходу гріючого .

Основні рівняння, що вирішують при розрахунку теплообмінників, наступні:

Рівняння теплового балансу.Кількість тепла, що віддається робочим тілом, яке нагріває, уся витрачається на підвищення температури холодного теплоносія (витратами тепла в навколишнє простір зневажаємо). В цьому разі рівняння теплового балансу має наступний вигляд:

, (8.22)

де G₁ – маса гріючої рідини у одиницю часу, с_р1 – її масова теплоємність; та - початкова і кінцева температура; G₂ – маса робочого тіла, що гріє, с_р2 –масова теплоємність, та - початкова і кінцева температури; Q – кількість тепла, віддане грійною рідиною та отримане нагрівальною рідиною ( G , кг/с; с_р, Дж/ кгК; , та К або ⁰С; Q –Дж/С або Вт).

Рівняння теплопередачі.Зв’язує кількість тепла Q з розмірами та конфігурацією поверхні нагріву теплообмінника

, (8.23)

де k- коефіцієнт теплопередачі, F – поверхня нагріву, а - різниця температур.

Приймемо

; , , тоді

, .

Таким чином, відношення добутків ваги рідин , які беруть учать у теплообміні , на їх теплоємність зворотно пропорційно температурним перепадам цих рідин.

Теплообмін відбувається на усьому протязі робочих поверхонь. Різниця температур грійного та нагрівального тіл по ходу теплообмінного апарату змінюється. Для вирішення рівняння теплопередачі необхідно знайти середню різницю температур .

Рівняння теплопередачі для елементарної площадки dF має вигляд . Звідки можна записати, що , ; . Звідки

. (8.24)

Після інтегрування рівняння (8.24) у межах від до , маємо:

,

,

або

,

. (8.25)

У формулі (8.25) - середня логарифмічна різниця температур взаємодіючих робочих тіл, і , відповідно найбільша та найменша різниця температур на вході (виході ) теплообмінника.

Залежність (8.25) може бути застосована при розрахунках теплообмінників, типи яких розглянуті вище. Для спрощення представляють , де значення n = зводять у таблиці.

Для наближених розрахунків використовують формулу

, (8.26)

яка визначається як середньо арифметична різниця температур.

Залежністю (8.26) можна користуватись, якщо відношення різниці температур на вході в теплообмінник до різниці температур на виході менше двох, тобто <2.

Розрахунки показують, що при інших рівних умовах поверхня теплообмінного апарату з протитоком виходить менша, ніж у апарата з прямотоком.

Контрольні запитання

1. Що таке тепловіддача, теплопередача й складний теплообмін?

2. Наведіть основні вирази, що характеризують теплопередачу через плоску й циліндричну стінку.

3. Термічний опір та термічна проводимість.

4. Теплова ізоляція: визначення, основні види і характеристики.

5. Що таке „критична товщина ізоляції”?

6. Як визначити оптимальний рівень теплозахисту огороджуючих конструкцій ?

7. Теплообмінні апарати: класифікація, основи розрахунків.